泰安市城市水文智慧監(jiān)測工程設(shè)計方案探討

于 鵬 侯恩光 張忠科

(泰安市水文局，山東 泰安 271000)

1 開展城市水文的必要性

泰安市是國家重要的旅游城市之一，也是山東省重點旅游城市，近年來，隨著全球氣候變化和城市化進(jìn)程的加快，市區(qū)不透水面積逐步增加，城區(qū)暴雨產(chǎn)匯流倍增、防洪排澇壓力增大，暴雨積水造成的城市生命線系統(tǒng)癱瘓、危舊房倒塌、地下設(shè)施進(jìn)水、大量汽車受淹等問題日益突出，嚴(yán)重時甚至造成人員傷亡，暴雨引發(fā)的洪水災(zāi)害已成為影響城市公共安全的突出問題和制約泰安經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素之一，開展城市水文研究已迫在眉睫。

隨著水文智能監(jiān)測設(shè)備的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及智能處置專業(yè)模型的發(fā)展為城市水文提供了技術(shù)支持，這些先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)施設(shè)備為增強城市防洪排澇提供了保障，填補城市水文這一短板成為可能。泰安市出臺了《關(guān)于加快推進(jìn)海綿城市建設(shè)的實施意見》，提出增強城市防澇減災(zāi)能力，提高城市水生態(tài)品質(zhì)，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，有效減輕洪澇危害，提升城市綜合承載能力。加快城市水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，順應(yīng)泰安市建設(shè)海綿城市規(guī)劃要求，開展城市水文智慧監(jiān)測研究是很有必要的。

城市是一個地區(qū)的政治、經(jīng)濟、文化中心，城市人口和財富相對集中，一旦遭災(zāi)，損失巨大。研究城市水文效應(yīng)、城市化對水文過程的影響，解決城市防洪排澇、城市水資源及水生態(tài)環(huán)境問題，對于泰安市城市發(fā)展規(guī)劃、城市建設(shè)、環(huán)境保護(hù)、市政管理、經(jīng)濟發(fā)展和居民生活等都具有十分重要的意義。

2 泰安市城市水文情況概述

2.1 泰安市水文氣象情況

泰安市屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候區(qū)，四季分明，春季干燥多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少有雨雪。泰安市多年平均降水量為690.6mm，其中6—9月降水量528.6mm，占年降水量的76.5%，3—5月降水量97.7mm，占年降水量的14.1%，具有春旱、夏澇、晚秋又旱的特點。降水量的年際變化也比較明顯，豐、枯交替出現(xiàn)。

2.2 市區(qū)洪澇災(zāi)害基本情況

1949年以來，泰安市于1954年、1957年、1964年、1987年、1994年、1996年、2003年、2018年、2019年、2020年等先后發(fā)生洪澇災(zāi)害。

1996年7月28—31日，泰安市城內(nèi)出現(xiàn)自1966年以來罕見大暴雨，暴雨中心在泰山及泰安市城區(qū)周圍，7月30日16時40分至17時40分泰安市城區(qū)1h降雨量120mm，泰山南麓降雨200mm，由于降雨時間短、強度大，造成山洪暴發(fā)，城區(qū)洪水泛濫成災(zāi)，4人死亡。泰安市城區(qū)347個單位和1.5萬戶居民住宅進(jìn)水，部分企業(yè)停產(chǎn)。泰安火車站進(jìn)水淹沒軌道，津浦線停發(fā)客車0.5h。

3 城區(qū)洪澇成因和防洪現(xiàn)狀

3.1 短歷時強降雨頻發(fā)

城市化引發(fā)的“熱島效應(yīng)”導(dǎo)致城市突發(fā)性降雨時間短強度大，“逢雨必澇”現(xiàn)象不斷上演。其原因是城區(qū)道路不透水面積達(dá)90%左右，城區(qū)地面硬化且建筑物頂部也不存水，降雨后產(chǎn)生的地表徑流較多，匯流時間縮短，峰值出現(xiàn)時間提前且峰量增高，一旦雨量和強度超過泰安市現(xiàn)狀河涌排澇能力和城市排水管網(wǎng)排水能力，就容易出現(xiàn)交通道路積水量暴增、水位瞬時增高導(dǎo)致的交通障礙，危害極大。由于城市人口和財富相對集中，一旦遭災(zāi)，損失較大。如龍?zhí)堵坊疖囌竞吹貏葜虚g低兩邊高，暴雨過程中排澇不及時極易存水，造成城市交通系統(tǒng)癱瘓、大量汽車受淹，甚至造成人員傷亡。

3.2 城市排水標(biāo)準(zhǔn)偏低

據(jù)資料統(tǒng)計，泰安市城區(qū)排水管道按3年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，而老城區(qū)85%左右的排水管網(wǎng)為1年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，城市排水標(biāo)準(zhǔn)偏低。隨著城市不斷擴張，硬化面積增加，排水壓力進(jìn)一步增大。老城區(qū)排水系統(tǒng)老化失修，淤積堵塞嚴(yán)重，也降低了排水能力。城市排水問題是發(fā)生城區(qū)洪澇災(zāi)害的原因之一，一旦大雨傾盆，城市排水系統(tǒng)便力不從心，出現(xiàn)“城區(qū)看?！爆F(xiàn)象。

3.3 城市河道行洪能力不足，缺乏水文預(yù)警預(yù)測設(shè)施

泰安市城區(qū)地處泰山南麓，地勢北高南低、西高東低，南北地形高差80多m，地形坡度在1%～2%之間，特殊的地形地貌，形成獨特的“馬路行洪”現(xiàn)象。泰安市內(nèi)流河主要有泮河、七里河、奈河、梳洗河、雙龍河、明堂河、芝田河等河道，均為雨源型山溪性河流，一旦強降雨，來水迅速，防洪形勢嚴(yán)峻。上述內(nèi)河在設(shè)計上均有防洪排澇、蓄水補源的功能。但有的內(nèi)河水系不能滿足排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，且河道中的阻水橋梁、橋涵以及各類垃圾倒棄等使得河道行洪空間被占用、堵塞，造成行洪不暢。同時，當(dāng)遇到短時強降雨天氣，地表徑流快速進(jìn)入城市排水系統(tǒng)并匯入河道，使河內(nèi)水位急劇上漲，嚴(yán)重時河水溢出路面，容易引發(fā)河洪型內(nèi)澇。而未進(jìn)入排水系統(tǒng)的匯流快速流向城市低洼地區(qū)，致使城區(qū)內(nèi)澇嚴(yán)重。

城市化后僅僅依靠城市路面的排水系統(tǒng)應(yīng)對城區(qū)暴雨洪水是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)針對引起城市水文循環(huán)變化的根源作出對策。由于城區(qū)內(nèi)河流缺少必要的水位監(jiān)測站點和智慧信息顯示系統(tǒng)等水文監(jiān)測設(shè)施，不能及時、實時獲取水文監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，尤其在每年汛期發(fā)生的強降雨過程中不能及時發(fā)布市區(qū)易積水橋段及低洼路段的積水信息，不能為城區(qū)防汛應(yīng)急提供決策依據(jù)，達(dá)不到預(yù)警預(yù)報、科學(xué)進(jìn)行交通管制的目的。因此，認(rèn)清城市水文監(jiān)測服務(wù)缺位這一短板，積極拓寬服務(wù)思路，合理規(guī)劃監(jiān)測站點，加大中心城區(qū)水文站點建設(shè)和管理是極為重要的。

4 城市水文監(jiān)測工程建設(shè)的功能需求

城市水文環(huán)境的變化主要表現(xiàn)在城市積水、排水不暢、地面沉降、水流污染等。從水文角度上來講，泰安市城市水文智慧監(jiān)測系統(tǒng)要對市區(qū)河道、低洼區(qū)路段及內(nèi)澇易發(fā)區(qū)等地段進(jìn)行合理完善地布局，在現(xiàn)有水文監(jiān)測項目的基礎(chǔ)上對這些地方增設(shè)水位、雨量等自動化的水文監(jiān)測設(shè)施設(shè)備，用于監(jiān)測降水、徑流、水質(zhì)、地下水位、排洪能力、道路積水深度等項目，形成專門用于城市內(nèi)澇的水位、雨量監(jiān)測信息站點及信息發(fā)布、災(zāi)害預(yù)警、視頻監(jiān)控于一體的智能監(jiān)測設(shè)備和應(yīng)用。

4.1 城區(qū)降水觀測

由于城市范圍不斷擴大，單一的降水觀測點不能滿足城市區(qū)域降水分布的需要，所以要根據(jù)實際情況布設(shè)足夠的雨量站對降水分布進(jìn)行空間控制，滿足不同區(qū)域服務(wù)的需求。布設(shè)雨量站點時要充分考慮降水量大小、降水時空分布及頻現(xiàn)期等因素，從而有效預(yù)測降水帶來的水文效應(yīng)對城市的影響。

4.2 城區(qū)徑流觀測

城區(qū)與天然流域最大的區(qū)別在于下墊面透水能力，城區(qū)內(nèi)少有的透水區(qū)域?qū)搅饔绊懖淮?。城市洪?zāi)最明顯的特征是產(chǎn)匯流速度快，所以在不同區(qū)域加強流量、水流向、排水流速、積水變化等徑流監(jiān)測至關(guān)重要。智慧水文監(jiān)測設(shè)施能實現(xiàn)全自動視頻監(jiān)控，實現(xiàn)水位、雨量等設(shè)備的自動化采集及處理；能夠完成實時水文數(shù)據(jù)的傳輸及自動存儲和處理，能夠?qū)崟r視頻監(jiān)控現(xiàn)場內(nèi)澇情況，并能夠?qū)?nèi)澇情況進(jìn)行現(xiàn)場顯示以及數(shù)據(jù)越限進(jìn)行監(jiān)測及預(yù)警預(yù)報等。

4.3 城區(qū)地下水位及高程變化監(jiān)測

城區(qū)地面硬化，減少了降水入滲，地下水開采量逐年遞增，使地下水位不斷下降，地面隨之下沉，會使地面建筑物裂縫、沉降、管道破裂等，嚴(yán)重影響群眾生活。所以地下水位的觀測、預(yù)警及帶來的后果也是城市水文應(yīng)該研究的內(nèi)容。

4.4 城區(qū)道路積水深度監(jiān)測

在城區(qū)橋涵、低洼地段等易澇區(qū)域進(jìn)行積水深度監(jiān)測，為排水管網(wǎng)的設(shè)計、建設(shè)提供科學(xué)數(shù)據(jù)依據(jù)，為人們的出行提供安全警示作用。

4.5 城區(qū)水文的宣傳需要

城市水文站點一般地處城市繁華地段，建設(shè)具有強烈水文元素、鮮明城市特色的水文站點，不僅能夠體現(xiàn)水文標(biāo)識，更是水文宣傳于社會的窗口。建設(shè)諸如東方明珠塔、鑄銅仿古卡尺、卡通人物水文寶貝等一處處帶有地標(biāo)性景觀的水文站點，能廣泛傳播水文工作的社會價值。

目前，泰安市現(xiàn)有水文站網(wǎng)主要是圍繞監(jiān)測過境水量及預(yù)警預(yù)報城市上游來水，為防洪排澇提供決策依據(jù)而設(shè)立的。城市水文、水位站點應(yīng)重點設(shè)立在市內(nèi)地勢低洼及易澇區(qū)域，依據(jù)上述各種功能需求，結(jié)合泰安市城區(qū)洪澇特點，實行“一點一策”，按照“建設(shè)一處站點，形成一道景觀，服務(wù)一方民生”的思路，打破過去傳統(tǒng)的為水利服務(wù)的單一監(jiān)測作用，根據(jù)不同需求進(jìn)行觀測，形成服務(wù)多樣化、現(xiàn)代化的城市水文監(jiān)測體系，擴大水文的服務(wù)范圍，為城市的規(guī)劃和發(fā)展提供科學(xué)有效的水文數(shù)據(jù)，降低城市洪災(zāi)給當(dāng)?shù)鼐用窈蜕鐣淼慕?jīng)濟損失。如：在城區(qū)橋梁、涵洞及低洼路段建設(shè)補充城市水文監(jiān)測站點，配置雷達(dá)式水位計、夜視熒光鏤空水尺及視頻監(jiān)控等監(jiān)測設(shè)備；在人口密集處建設(shè)一批用來發(fā)布實時雨水情信息、水深預(yù)警及水文宣傳信息于一體的全彩顯示屏視頻監(jiān)控系統(tǒng)；在流經(jīng)城區(qū)的奈河、梳洗河等河流顯著處建設(shè)水位計、視頻監(jiān)控等設(shè)施設(shè)備，進(jìn)行在線流量、水位監(jiān)測；在城市重點湖泊公園建設(shè)控制水生態(tài)變化的監(jiān)測站點。經(jīng)過這樣合理化的布局形成站類齊全、覆蓋面廣、監(jiān)測手段先進(jìn)實用的城市水文智慧監(jiān)測站網(wǎng)體系，達(dá)到預(yù)報、預(yù)警、應(yīng)急搶險一體化和上下聯(lián)動的目的，能及時提交發(fā)布可靠的雨水情信息，全面提升城市水文監(jiān)測能力。這對完善城區(qū)防汛應(yīng)急體系，整體提高政府處置突發(fā)公共事件的能力，促進(jìn)經(jīng)濟社會與環(huán)境和諧發(fā)展具有重要意義。

5 城市水文監(jiān)測工程技術(shù)平臺的設(shè)計功能分析

泰安市城市水文智慧監(jiān)測系統(tǒng)是集水文自動測報、智能處理、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)集成等一系列技術(shù)于一體的規(guī)模龐大、功能強涉及面廣的系統(tǒng)工程。該系統(tǒng)的運用，實現(xiàn)了城市水文水資源數(shù)據(jù)的實時采集和共享，以及大數(shù)據(jù)的深度分析和應(yīng)用管理，極大提高了城市水文監(jiān)測的系統(tǒng)智能化水平。

5.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)指的是無處不在的末端設(shè)備和設(shè)施，通過各種無線或者有線的長距離或短距離通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)互通，通過大集成、云計算等新興ICT技術(shù)與水文信息系統(tǒng)的結(jié)合，實現(xiàn)城市水文數(shù)據(jù)實時采集和共享，以及大數(shù)據(jù)的深度分析和應(yīng)用管理，采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ夏Ｊ剑峁﹤€性化的在線監(jiān)測、定位、報警等功能。

泰安市城市水文系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)技術(shù)框架，大致分為4層，從上至下分別是云計算層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、邊緣計算層和信息感知層(見圖1)。通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)水文信息的交互和共享。

圖1 水文系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

信息感知層主要包括城市易澇積水點、水文站點、雨量站點的水文信息和預(yù)警信息發(fā)布體系，該層用于實現(xiàn)水文信息的在線監(jiān)測，預(yù)警信息實時、現(xiàn)地發(fā)布等功能。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一儲存和管理的體系，既包括數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場局域網(wǎng)，也包括實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的廣域網(wǎng)。這一層以4G/5G網(wǎng)絡(luò)、路由器、交換機、VPN、無線網(wǎng)橋、防火墻等大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備作為技術(shù)支撐。隨著業(yè)務(wù)系統(tǒng)的云化，采集數(shù)據(jù)最后進(jìn)入云計算層，云計算層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞，大致可以分為3層：第一層是負(fù)責(zé)水文數(shù)據(jù)收集的各種資源層，如雨量監(jiān)測層、水位監(jiān)測層等；再往上是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)處理層，如水文資料分析層，它會對數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)入庫等工作；最后就是面向城市水文的業(yè)務(wù)應(yīng)用層，如信息發(fā)布、預(yù)警預(yù)報、決策建議等。這些最終數(shù)據(jù)提供給政府主管部門、防汛部門、城管部門、交通運輸部門、應(yīng)急管理部門或公眾進(jìn)行使用，并在城市顯著地段、交通標(biāo)志屏幕上進(jìn)行實時顯示。

5.2 技術(shù)平臺的功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)的水文站點包括易澇地段水位監(jiān)測站、水文站、雨量站等，根據(jù)各站點類型配備相應(yīng)的智能感知儀器設(shè)備，從而可以隨時獲取水文實時數(shù)據(jù)。信息平臺系統(tǒng)分實時監(jiān)測、信息查詢、城市內(nèi)澇預(yù)報、積水點三維展示、預(yù)警服務(wù)及發(fā)布平臺、信息發(fā)布、移動應(yīng)用及數(shù)據(jù)維護(hù)等板塊。實時監(jiān)測模塊包括水位、水深、雨量、水文氣象、險情、視頻等監(jiān)控信息。

在城區(qū)易澇和低洼地段，建設(shè)以水文監(jiān)測設(shè)備和水文數(shù)據(jù)模型為核心的城市內(nèi)澇實時監(jiān)測預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。水文監(jiān)測設(shè)備側(cè)重 “點”，內(nèi)澇水文數(shù)據(jù)模型側(cè)重 “面”，兩者相輔相成，監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測和修正城市內(nèi)澇水文模型，點面結(jié)合可以實現(xiàn)洪澇風(fēng)險的滾動預(yù)報。內(nèi)澇水文監(jiān)測模型可根據(jù)地面水位、內(nèi)河涌水位和水閘泵站運行情況，以及未來1～3h降水預(yù)報信息，繪制相應(yīng)的洪水風(fēng)險圖，展示最大水深、淹沒歷時和最高水位時刻等，并可以根據(jù)監(jiān)測、預(yù)報的成果對當(dāng)前或者未來的防洪動態(tài)進(jìn)行模擬，通過視頻監(jiān)控實時查看積水點、涵洞、立交橋等積水淹沒狀況。

預(yù)警服務(wù)和發(fā)布平臺包含實時監(jiān)測和預(yù)報的雨水情信息，借助廣播、電視、短信平臺、微信等多種發(fā)布方式向有關(guān)部門提供數(shù)據(jù)。水利部門可以借助防汛內(nèi)澇狀況，及時進(jìn)行防洪排澇調(diào)度。交管部門可以通過該系統(tǒng)實時掌握低洼路段的積水狀況，為廣大群眾提供出行指南，避免人員、車輛誤入深水路段造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失。

移動應(yīng)用平臺借助相應(yīng)APP軟件，實現(xiàn)手機端的顯示，滿足外出和現(xiàn)場處置時對雨水情等實時信息的查詢，實現(xiàn)移動辦公。

6 結(jié) 語

泰安市城市水文智慧監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，可對于落后于時代發(fā)展的城市水文建設(shè)起到促進(jìn)作用。高起點的城市水文建設(shè)可減輕因暴雨洪澇災(zāi)害頻發(fā)帶來的城市內(nèi)澇壓力，具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。